[論文レビュー] Perspectives for detecting cold H2 in outer galactic disks

F. Combes, D. Pfenniger|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 1997

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、渦巻銀河の外縁領域における冷たい分子状水素（H2）を直接的および間接的に検出する方法を検討し、0.5および5.5 km波長の正交H2の電磁界面のハイパーファイン遷移を、主な検出手法として提案している。最近のCOBE/FIRASによる4–7 Kの冷たいダスト成分の発見を、銀河間媒体（ISM）に存在する支配的で未検出の冷たいH2貯留層の可能性と結びつけ、従来のH2/CO換算係数に疑問を呈する。

ABSTRACT

We review here the main direct or indirect ways to detect the possible presence of large amounts of cold molecular hydrogen in the outer parts of disk galaxies, an hypothesis that we have recently developed. Direct ways range from H2 absorption in the UV domain to detection of the radio hyperfine structure: the ortho-H2 molecule has an hyperfine, or ultrafine, structure in its fundamental state, due to the coupling between the rotation-induced magnetic moment, and the nuclear spin. This gives rise to 2 magnetic dipole transitions, at the wavelengths of 0.5 and 5.5 km. Indirect ways are essentially the detection of the HD and LiH transitions, and in some environments like clusters of galaxies, more heavy trace molecules such as CO. We discuss from this point of view the recent discovery by COBE/FIRAS of a very cold Galactic dust component (4-7 K) which could correspond to a dominating gas mass component of the ISM, if interpreted as standard dust emission. Some of the proposed means could be applied to the well-known molecular clouds, to bring some new light to the problem of the H2/CO conversion ratio.

研究の動機と目的

• 外縁領域に存在する冷たい分子状水素（H2）の検出可能性を検討し、それが銀河間媒体の質量を支配している可能性を調査する。
• 正交H2の無線ハイパーファイン遷移が、冷たいH2の直接的検出法としての可能性を評価する。
• 低金属量や極寒冷条件のような環境において、HD や LiH 遷移といった間接的検出手法の有効性を評価する。
• COBE/FIRASが観測した4–7 Kの冷たいダスト成分を、ISM内に巨大で未検出の冷たいH2成分が存在する可能性の兆候と解釈する。
• COによってトレースされない冷たいH2貯留層の可能性を踏まえ、銀河間におけるH2/CO光度換算係数の再評価を試みる。

提案手法

• 正方形H2の基底状態における磁気双極子ハイパーファイン遷移に着目し、回転磁モーメントと核スピンの結合に起因する。
• 0.5 kmおよび5.5 km波長の遷移が、冷たいH2検出の無線的シグネチャとしての可能性を分析する。
• 特に銀河クラスターや低金属量領域のような寒冷・低金属量環境において、HD や LiH スペクトル線による間接的検出を検討する。
• COBE/FIRASが得た冷たいダスト放射（4–7 K）のデータを応用し、支配的で冷たいガス成分（おそらくH2）の存在を推定する。
• このような冷たいH2成分が、銀河外天文学で一般的に用いられる標準的なH2/CO換算係数に与える影響を評価する。
• 外縁銀河ディスク内の物理的状態をモデル化し、無線およびミリ波帯技術によるH2検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正交H2の0.5 kmおよび5.5 kmハイパーファイン遷移は、外縁銀河ディスクにおける冷たい分子状水素の検出に利用可能か？
• RQ2 HD や LiH 線は、低金属量または極寒冷環境において、冷たいH2の間接的トレーサーとしてどの程度有効か？
• RQ3 COBE/FIRASによる4–7 Kの冷たいダスト成分の観測は、ISM内に巨大多量の未検出冷たいH2貯留層が存在する可能性を示唆するか？
• RQ4 外縁ディスクに冷たいH2が存在する場合、標準的なH2/CO光度換算係数にどのような影響を与えるか？
• RQ5 CO放射が弱いか完全に存在しない領域において、冷たいH2を検出するための最も現実的な観測戦略は何か？

主な発見

• 正交H2分子は、0.5 kmおよび5.5 km波長に位置する2つの磁気双極子ハイパーファイン遷移を示し、冷たいH2の直接的無線検出への道筋を提供する。
• COBE/FIRASによる4–7 Kの冷たいダスト成分の観測は、標準的ダスト放射と解釈すれば、ISM内に支配的で未検出のガス質量成分が存在する可能性を示唆する。
• このような冷たい成分の存在は、冷たいH2が外縁銀河ディスクの主要構成要素である可能性を示し、ISM内に欠落している質量を説明する手がかりとなる可能性がある。
• HD や LiH 線による間接的検出は、例えば銀河クラスターや低金属量領域のような特定の環境では実現可能である可能性がある。
• CO放射によってトレースされない冷たいH2が存在する場合、特に外縁ディスク領域において、標準的なH2/CO光度換算係数の再評価が求められる。
• 提案された検出手法は、従来のCOサーベイが感度を欠く領域における銀河内分子ガスの内容を調査する新たな道を開く。